生产线动态称重在线标定软件设计

2017-06-28

   随着现代科技飞速发展及生产质量要求的提高,“定时取出,分别称量”的“人工抽查”方法逐渐被100%在线检测的方式替代。因为制药、食品加工生产线现场存在各因素使得小量程动态称重仪的精度和稳定性受到很大影响,故需要定期进行标定。动态称重仪离线送检过程频繁拆装给测量系统再次带来不稳定因素,我们研究开发了动态称重仪在线标定系统,实现了样品重量自动读取和记录、动态信号滤波处理、标定灵敏度计算,以及和精密电子秤同步比较验证等标定功能。该文主要讨论在线标定系统的算法原理和软件设计方法。
  1 动态称重数据处理方法
  动态称重仪是在产品连续传送过程中进行在线称重,直接测量到的信号数据表现为一个类梯形波的动态过程信号。而且由于现场送料和分选装置产生的机械振动,以及测量系统电源波动和电气噪声影响,这个过程信号常带有多个频率的干扰信号。在对整机系统测量信号频谱分析的基础上,本软件采用整周期移动平均方法进行滤波处理,其实现方法是: 设整个动态称重信号数据长L,每次取N个采样值看成一个队列,进行算术平均运算;再取一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的数据,把新的队列进行平均滤波,就可获得新的滤波结果。N值可根据周期干扰的频率成分来选择。
  设重量信号测量电压为数组X(i),取N=126时,则第1个滤波数据U1等于X(1)~X(126)的平均值,第2个滤波数据U2等于X(2)~X(127)的平均值,依此类推,可以得到一组滤波数据Ux(i)。取滤波信号的Ux(i)最小值即为有效测量电压值U。存在零位偏移的测量系统线性标度变换公式。
  k = (U-U0)/ Wb
  式中,Wb为样品(砝码或替代品)标准重量;U为测量x对应的稳态电压量;U0电压量零位偏移;k为系统测量灵敏度。重量测量时,产品未传送到称重托盘前的数据就是零位偏移的测量值,取滤波数据最初的数百点进行平均,即可得到动态零位电压U0。实际上在线检重系统测量特性存在明显的非线性,需要进行校正处理以进一步提高测量精度。本软件采用分段线性插值法进行非线性校正。
  2 软件系统设计
  测量系统采用以PCI-9111多功能采集卡进行数据采集,软件开发采用C++ Builder6.0可视化集成环境。在线标定软件系统分为图1所示四个模块:①静态标重实现样品编号、标准重量和量级的录入、编辑、存储功能;②动态标定实现对样品动态重量信号的采集、滤波处理,以及有效测量电压、零位偏移和标定灵敏度计算存储,③测量验证模块采集待测产品动态重量信号并进行称重计算,以及与电子秤测量值进行比较,计算出标准差;④标定分析模块对量程范围内各个量级的灵敏度新旧数据进行比较,结合测量验证数据分析,确定标定数据是否合理,合理部分数据存储,不合理部分则再次进行标定,如需要还可对干扰信号频率重新分析,并更新滤波参数。软件设计中采用C++ Builder操作Access数据库的2个表,标定数据表和测量数据表,分别存储标定数据和验证数据,便于用户对标定过程量值传递和溯源进行分析评估。
  3 系统应用分析
  实际测试分主要两步:动态标定和测量验证。动态标定时要分两种方式采集数据:按照重量逐步增加的方式和逐步减少的方式,分别采集各量级样品的动态信号,同一样品的两个动态重量信号电压数据分别进行滤波处理、求有效测量电压、除皮后得到稳态电压,再取其平均值,作为标定灵敏计算的有效电压值,这样可以去除重量往复变化过程传感器特性可能存在的回程误差。
  测试中采用砝码替代品作为样品,50.65 g动态重量信号滤波前后波形见图2,滤波前信号为带很大噪声干扰的波形,滤波后得到表示信号趋势的类梯形曲线。7个量级的样品标定数据见表1。
  测量验证时可选择重量在有效量程40~200 g中的任一质量的物品,通过传送带通过动态称重仪,称重仪根据标定灵敏度进行线性插值得到测量灵敏度,计算出物品的测量重量值,经精密电子秤比较验证,标定后动态称重仪测量标准差<4.5%,达到预期设计目标。
  4 结语
  本文在对动态称重仪工作环境分析的基础上,介绍了动态称重数据处理方法和计算原理,以及动态检重仪标定软件的设计方案,并通过标定分析和测量验证,证明了标定系统设计的有效性。该软件系统具有界面友好、算法简单有效、处理速度快、数据查询和分析评估便捷的优点,符合标定需要。
  参考文献